不同條件對(duì)口罩用熔噴布過(guò)濾效率與氣流阻力的影響

王清源

（鎮(zhèn)江市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

2020年，新冠疫情爆發(fā)，口罩成為爭(zhēng)相采購(gòu)的商品，而口罩中間層的核心材料，聚丙烯熔噴法非織造布（簡(jiǎn)稱(chēng)熔噴布）一度成為網(wǎng)紅產(chǎn)品，為大眾熟知。熔噴非織造布是聚合物一步法成布技術(shù)中的一種。20世紀(jì)50年代初，美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室在政府資助下發(fā)明了熔噴非織造布技術(shù)，即熔融聚合物被柱塞擠壓機(jī)擠入一股斂聚的熱氣流，形成超細(xì)纖維吹向凝網(wǎng)器堆積成一種超細(xì)過(guò)濾材料，生產(chǎn)出尼龍熔噴非織造布[1]。目前，口罩用熔噴布多以聚丙烯為原料，因具有獨(dú)特毛細(xì)結(jié)構(gòu)的超細(xì)纖維來(lái)增加單位面積纖維的數(shù)量和表面積，使其對(duì)空氣中的微細(xì)粉塵和細(xì)菌等微納米顆粒具有優(yōu)良的捕獲性能。

對(duì)于應(yīng)用于空氣過(guò)濾領(lǐng)域中的非織造布濾料，很重要的過(guò)濾性能指標(biāo)是顆粒物過(guò)濾效率和氣流阻力[2]。過(guò)濾效率是指對(duì)過(guò)濾元件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，過(guò)濾元件過(guò)濾掉的氣溶膠濃度與過(guò)濾前的氣溶膠濃度之比；氣流阻力是指在一定實(shí)驗(yàn)風(fēng)速或風(fēng)量下，過(guò)濾元件前后的靜壓差[3]。口罩是過(guò)濾領(lǐng)域的一種典型產(chǎn)品，在現(xiàn)行有效的標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)過(guò)濾效率項(xiàng)目的測(cè)試流量和技術(shù)要求不盡相同，如在YY 0469—2011《醫(yī)用外科口罩》[4]標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定過(guò)濾效率項(xiàng)目測(cè)試流量為（30±2）L/min，過(guò)濾效率大于等于30%；在GB/T 32610—2016《日常防護(hù)型口罩技術(shù)規(guī)范》[5]中規(guī)定過(guò)濾效率項(xiàng)目測(cè)試流量為（85±4）L/min，過(guò)濾效率因級(jí)別不同要求不同，最低不得低于90%。國(guó)內(nèi)現(xiàn)行的熔噴布標(biāo)準(zhǔn)也有很多，多為新制定的地方標(biāo)準(zhǔn)和團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，其中，F(xiàn)Z/T 64078—2019《熔噴法非織造布》[6]作為唯一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其過(guò)濾效率項(xiàng)目采用的就是GB/T 32610—2016附錄A的方法，測(cè)試流量為（85±4）L/min。本次研究在不同的測(cè)試流量、疊加層數(shù)和加載時(shí)間3種條件下，分別測(cè)得熔噴布過(guò)濾效率和氣流阻力結(jié)果，分析其變化情況，為熔噴布的生產(chǎn)、應(yīng)用和口罩的使用提供參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 樣品準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)樣品為自備白色熔噴布，門(mén)幅175 mm，克重25 g/m2，厚度為0.47 mm。樣品不作溫濕度預(yù)處理，但均在實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件下放置24 h以上。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

SJPM-F002顆粒物過(guò)濾效率測(cè)試儀，測(cè)試面積為100 cm2；過(guò)濾介質(zhì)為NaCl氣溶膠，計(jì)數(shù)中粒徑為（0.075±0.020）μm。

1.3 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

實(shí)驗(yàn)的環(huán)境溫度為（2 5±5）℃，相對(duì)濕度為（30±10）%。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

（1）分別設(shè)置測(cè)試流量為30、40、55、70、85、100 L/min，測(cè)試單層熔噴布的過(guò)濾效率和氣流阻力。

（2）當(dāng)測(cè)試流量為85 L/min時(shí)，對(duì)熔噴布進(jìn)行層數(shù)疊加實(shí)驗(yàn)，最大疊加層數(shù)為5層，每疊加1層記錄一次過(guò)濾效率和氣流阻力。

（3）當(dāng)測(cè)試流量為85 L/min時(shí)，對(duì)單層熔噴布進(jìn)行連續(xù)加載實(shí)驗(yàn)，每間隔1 min記錄一次過(guò)濾效率和氣流阻力，記錄至30 min。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 不同測(cè)試流量的影響

表1是不同測(cè)試流量下的過(guò)濾效率和氣流阻力的實(shí)測(cè)值。從數(shù)據(jù)上可以看出，隨著測(cè)試流量的增加，過(guò)濾效率逐漸降低，氣流阻力逐漸增大。

表1 不同測(cè)試流量下過(guò)濾效率與氣流阻力的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)線(xiàn)性擬合，得到測(cè)試流量與過(guò)濾效率的線(xiàn)性關(guān)系方程式為：

相關(guān)系數(shù)R2為0.997 8。

測(cè)試流量與氣流阻力的線(xiàn)性關(guān)系方程式為：

相關(guān)系數(shù)R2為0.993，線(xiàn)性關(guān)系均很顯著，擬合曲線(xiàn)見(jiàn)圖1。

圖1 測(cè)試流量與過(guò)濾效率和氣流阻力的關(guān)系

通過(guò)方程式可以準(zhǔn)確地計(jì)算出該熔噴布在不同測(cè)試流量下的過(guò)濾效率和氣流阻力。因此在熔噴布的生產(chǎn)和應(yīng)用過(guò)程中，可以將成品熔噴布的折疊或壓制等工藝形成立體熔噴布，通過(guò)增加接觸面積來(lái)降低氣體通過(guò)流量，使熔噴布具有高過(guò)濾效率和低過(guò)濾阻力。

2.2 不同疊加層數(shù)的影響

表2是不同疊加層數(shù)下的過(guò)濾效率和氣流阻力的實(shí)測(cè)值。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：隨著疊加層數(shù)的增加，過(guò)濾效率增速由快變慢最后趨于穩(wěn)定，而氣流阻力逐漸增大。

表2 不同疊加層數(shù)下過(guò)濾效率與氣流阻力的實(shí)驗(yàn)結(jié)果（測(cè)試流量：85 L/min）

通過(guò)線(xiàn)性擬合，可得到疊加層數(shù)與氣流阻力的線(xiàn)性關(guān)系方程式為：

相關(guān)系數(shù)R2為0.999 1，線(xiàn)性關(guān)系顯著，擬合曲線(xiàn)如圖2所示。

圖2 疊加層數(shù)與過(guò)濾效率和氣流阻力的擬合曲線(xiàn)

通過(guò)方程式可以準(zhǔn)確地計(jì)算出該熔噴布在不同疊加層數(shù)下的氣流阻力值。在口罩生產(chǎn)過(guò)程中，可以通過(guò)多層疊加熔噴布的方法提高過(guò)濾效率，雖然氣流阻力也會(huì)增加，但是兩者存在不同的增長(zhǎng)趨勢(shì)，可以通過(guò)上述方程計(jì)算不同層數(shù)的氣流阻力，尋找合適的疊加層數(shù)。

2.3 不同加載時(shí)間的影響

表3是不同加載時(shí)間下的過(guò)濾效率和氣流阻力的實(shí)測(cè)值。從數(shù)據(jù)上可以看出，隨著加載時(shí)間的延長(zhǎng)，過(guò)濾效率和氣流阻力值均呈增大趨勢(shì)。

圖3是加載時(shí)間與過(guò)濾效率和氣流阻力變化關(guān)系曲線(xiàn)。從圖中可清晰地看出，在加載過(guò)程的前半程，過(guò)濾效率增長(zhǎng)速度較快，氣流阻力增長(zhǎng)速度較慢；在加載過(guò)程的后半程，過(guò)濾效率的增長(zhǎng)速度放緩，而氣流阻力增速加快。出現(xiàn)這種變化情況的原因是在加載過(guò)程前期，氣溶膠顆粒物的集聚使得纖維的孔徑變小，過(guò)濾效率快速增大，當(dāng)加載繼續(xù)時(shí)，纖維孔徑小到一定程度，過(guò)濾效率增速放緩，而此時(shí)，氣流阻力的增加速率越來(lái)越快。因此，在口罩實(shí)際使用過(guò)程中，建議消費(fèi)者佩戴一段時(shí)間后更換，否則會(huì)因顆粒物的集聚使氣流阻力增大，造成佩戴者呼吸不暢。

表3 不同加載時(shí)間下過(guò)濾效率與氣流阻力的實(shí)驗(yàn)結(jié)果（測(cè)試流量：85 L/min）

圖3 加載時(shí)間與過(guò)濾效率和氣流阻力變化關(guān)系

3 結(jié)語(yǔ)

在熔噴布的顆粒物過(guò)濾效率測(cè)試過(guò)程中，隨著測(cè)試流量的增加，過(guò)濾效率值呈線(xiàn)性下降的趨勢(shì)，氣流阻力值呈線(xiàn)性增大的趨勢(shì)；在測(cè)試流量不變的情況下，隨著疊加層數(shù)的增多，過(guò)濾效率值先增大后趨于穩(wěn)定，差異變小，氣流阻力值呈線(xiàn)性增大趨勢(shì)；在測(cè)試流量不變的情況下，隨著加載時(shí)間的延長(zhǎng)，過(guò)濾效率值和氣流阻力值均呈增大趨勢(shì)，過(guò)濾效率由急變緩，氣流阻力由緩變急。

在熔噴布生產(chǎn)過(guò)程中，可以考慮通過(guò)使用經(jīng)過(guò)折疊或壓制成立體的熔噴布增加過(guò)濾面積、提高過(guò)濾效率，同時(shí)降低氣流阻力。在口罩的生產(chǎn)過(guò)程中，可以考慮在保證相對(duì)合適的氣流阻力前提下，采用增加熔噴布疊加層數(shù)的方式提高過(guò)濾效率。另外，建議消費(fèi)者在日常佩戴口罩時(shí)，應(yīng)及時(shí)更換，保證呼吸通暢。